Bus de terrain

Bus de terrain

Introduction aux bus de terrain

Thèmes abordés

• Architectures centralisées et décentralisées T i i d l’i f ti

• Transmission de l’information

– Modèle OSI

Schéma de principe

Machine, installation Machine, installation

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 2

Système de commande (Automate programmable,

Commande numérique)

Architecture centralisée

Analyse

• Chaque capteur ou actionneur requiert au moins 2 fils

– Alimentation (masse) – Alimentation (masse) – Signal (information)

• Il y en a souvent des centaines

– Machine semiconducteur : ~4 m²au sol, plus de 1’000 capteurs.

– Architecture centralisée bien adaptée aux machines de petite taille.

• Sur les grandes installations, cela requiert

– Des kilomètres de fils.

– Des coffrets intermédiaires de distribution.

– Un important travail de conception (chaque fil !) – Un important travail de pose et de test

• Le test est fastidieux sur les câbles longs.

Architectures centralisées

Types de signaux

• Actuateur tout ou rien

So ent d 0 24 V contin q elq es centaines de mA – Souvent du 0 – 24 V continu, quelques centaines de mA.

• Capteurs analogiques

– Boucle de courant 4-20 mA (technologie ancienne).

– Signaux 0-10 V ou +/- 10 V sur des courtes longueurs.

• Commande de mouvement (Motion Control)

– Puissance électrique : 48 V, 230 V, courant de quelques ampères.

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 4

– Signaux codeurs : Signaux TTL, RS422

• Conséquence

– Risque de diaphonie entre les conducteurs.

– Nécessite des précautions particulières pour les signaux sensibles.

Architectures décentralisées

Principe de la décentralisation

• Objectifs principaux

Simplifier le câblage – Simplifier le câblage.

– Baisser les coûts.

• Deux approches utilisées

– Décentralisation de la périphérie seulement.

– Décentralisation du contrôle complet.

• Moyen utilisé

– Transmission de nombreuses informations par un bus de terrain.

– Remplace les nombreuses liaisons filaires par un câble unique.

Schéma de principe

Système de

Machine, installation Machine, installation

Système de commande

déporté Périphérie

déportée

Liaison par bus de terrain : 1 seul câble !

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 6

Périphérie déportée Système de commande

(Automate programmable, Commande numérique)

Architectures décentralisées

Notion de bus de terrain

• Réseau industriel

Principes de base similaires a résea informatiq es – Principes de base similaires aux réseaux informatiques.

• Un seul câble permet de transmettre de nombreuses informations codées sous forme binaire.

– Caractéristiques particulières pour répondre aux exigences industrielles.

• Connexion des éléments distants

– Raccordement des électroniques réparties.

– Chaque électronique doit savoir dialoguer en utilisant le protocole du bus de terrain.

Architectures centralisées et décentralisées

Comparaison en pratique

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 8

Architectures décentralisées

Coupleurs et contrôleurs

• Coupleur

– Gère seulement des entrées sortiesGère seulement des entrées sorties.

• Contrôleur

– Permet en plus d’exécuter un programme localement.

Coupleur BK3120 Contrôleur BC3100

Différentes formes de décentralisation

• Décentralisation de la périphérie seulement :

Le programme est to jo rs hébergé par n contrôle r central – Le programme est toujours hébergé par un contrôleur central.

– La périphérie décentralisée est gérée par un coupleur électronique qui traduit :

• les messages du bus de terrain en signaux pour les actuateurs.

• Les signaux capteurs en messages sur le bus de terrain.

Contrôleur Coupleur Coupleur

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 10

Programme de commande Programme de supervision

Architectures décentralisées

Différentes formes de décentralisation

• Décentralisation du contrôle complet :

Une partie d programme est hébergée par n contrôle r – Une partie du programme est hébergée par un contrôleur

déporté.

– Le contrôleur central donne des ordres au contrôleur déporté à travers le bus de terrain.

Contrôleur Contrôleur Contrôleur

Programme de commande Programme de

supervision

Programme de commande

Architectures décentralisées

Différentes formes de décentralisation

• Mixte

Un contrôle r déporté pe t a ssi donner accès directement à ne – Un contrôleur déporté peut aussi donner accès directement à une

partie de la périphérie à un contrôleur central.

Contrôleur Coupleur Contrôleur

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 12

Programme de supervision

Programme de commande Programme de

commande

L’automate programmable industriel

Structure matérielle – l’automate lié à un bus de terrain

• Un automate peut communiquer par un bus de terrain

Une carte électroniq e gère le protocole correspondant – Une carte électronique gère le protocole correspondant – Le programme automate peut lire et écrire des variables vers

cette carte.

– Ces variables reflètent l’état d’entrées sorties de la périphérie déportée connectée au bus de terrain.

• L’automate peut aussi se p

comporter en esclave.

– Un maître peut alors lire et écrire des variables de l’automate à travers le bus de terrain

CPU

Carte bus de terra Carte d’entrées Carte d’entrées Carte d’entrées

Type d’information transmise par un bus de terrain

• Messages codés en binaire

Les b s de terrain sont des résea n mériq es – Les bus de terrain sont des réseaux numériques.

– Tout est donc codé numériquement en binaire.

• Notion d’adresse

– Plusieurs périphériques différents présents sur le bus.

– Le destinataire d’un message est désigné par une adresse.

• Pour transmettre l’information vers un périphérique :

é é

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 14

– Le message contient l’adresse du périphérique.

– Les informations à placer sur les sorties.

• Du contrôleur vers les périphériques

– Pour chaque sortie tout ou rien : 1 bit valant 0/1

Architectures décentralisées

Type d’information transmise par un bus de terrain

Pour chaque sortie tout ou rien : 1 bit valant 0/1 – Pour chaque sortie analogique :

• valeurs codées en binaire

• Habituellement 8, 12 ou 16 bits

• Des périphériques vers le contrôleur

– Pour chaque entrée tout ou rien : 1 bit valant 0/1 – Pour chaque entrée analogique :

• valeurs codées en binaire

• Habituellement 8, 12 ou 16 bits

1 0 1 1 0 0 0

1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1

8 x tout ou rien Valeur analogique 16 bits

Architectures décentralisées

Quelques technologies utilisées comme bus de terrain

Eth t Lightbus EtherCat

Modbus

Can

Profibus-DP

Profibus-PA

DeviceNet Ethernet

UDP Sercos II

FIPIO LonWorks

ProfiNet ControlNet

IEEE1394

PowerLink

WorldFip AS-Interface

Modbus

Batibus

EIB

SDI-12

JetSync

Modbus-TCP PowerDNA

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 16

Can-Open Profibus-FMS

TCP FIPIO

Sercos III

HART InterBus USB

ArcNet Bitbus

Safety-bus

JBus

RS232

RS485 EIB

SynqNet

Finalité d’un bus de terrain

La transmission rapide et fiable de petits paquets d’information

Système de commande

bus de terrain

• Comment réaliser techniquement cette transmission ?

Un modèle commun pour décrire les transmissions de données

• OSI

Open S stem Interconnection – Open System Interconnection

– Défini par l’ISO : International Standard Organization – Ce n’est pas un protocole.

– Mais une manière de décrire les protocoles en 7 couches.

• C’est un modèle théorique

– Les réseaux réels correspondent plus ou moins bien à cette description

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 18

description.

– Vue idéalisée de la façon dont les réseaux devraient être construits.

Le modèle OSI

Une description en 7 couches

Fournit les services attendus à l’application (signification des données transmises.)

Application 7

Présentation 6

Session 5

Transport 4

Réseau 3

Traitementon

( g )

Assure la compatibilité des données entre stations (règles d’encodage).

Assure la connexion logique entre 2 stations.

(Continuité d’un échange) Assure la fragmentation des données en paquets transmissibles, et la reconstitution.

Assure le routage (adressage transmission à

Réseau 3

Liaison 2

Physique

Transmissio

1

travers plusieurs réseaux) Assure la transmission sans erreur d’un paquet de données, et l’accès au média.

Assure la transmission d’une suite de bits sur le média de transmission.

Le modèle OSI

A quoi correspond pratiquement une couche

• Pour les couches 3 à 7

– Une couche correspond à une fonction logicielle.

– Elle reçoit de la couche supérieure un SDU

• Service Data Unit, le paquet de données à transmettre pour remplir le service.

– Elle ajoute son PCI

• Protocol Control Information, informations de contrôle.

– L’ensemble constitue son PDU

• Protocol Data Unit.

– Cette fonction logicielle utilise (appelle) le service de la couche de niveau inférieur.

• Pour la couche 2

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 20

– Fonctions en général remplies directement par le matériel.

– Prennent donc peu de temps.

– Fonctions utilisées par les couches logicielles supérieures.

• Pour la couche 1

– Modulation et transmission de l’information.

– Le temps dépend de la distance, il est en général peu significatif.

Le modèle OSI

Les 7 couches en action

Envoi d’un paquet

de données Réception du paquet

de données

é

7 6 5 4

Application Présentation

Session Transport

Emetteur Récepteur

3 2

Réseau Liaison Physique 1

Adaptation aux bus de terrain

• Particularité des bus de terrain

Contrôle en temps réel d’installations – Contrôle en temps réel d’installations.

• Faiblesse du modèle OSI

– Chaque couche engendre un traitement des données.

– Donc, coût en temps et en puissance de calcul.

– Certaines couches sont inutiles.

• Par exemple réseau si on supprime le principe du routage.

Mal adapté aux bus de terrain

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 22

– Mal adapté aux bus de terrain.

• Approche retenue

– Les bus de terrain n’implémentent véritablement que les couches 1, 2 et 7.

Modèle OSI

Optimisation pour les bus de terrain

• Ne comporte que les couches 1 2 et 7 couches 1, 2 et 7.

• Implémentation rapide et efficace

• Si vraiment nécessaire

– ce qui appartiendrait aux couches 4, 5 et 6 est regroupé avec la couche 7

Application 7

Présentation 6

Session 5

Transport 4

Réseau 3

Traitementn

regroupé avec la couche 7 – ce qui appartiendrait à la couche 3 est regroupé avec la couche 2

Réseau 3

Liaison 2

Physique

Transmission

1

Modèle OSI

1. La couche physique

• Rôle

Elle ass re la transmission d’ ne s ite de bits s r le média de – Elle assure la transmission d’une suite de bits sur le média de

transmission

• Contenu

– Interfaces mécaniques (connecteurs) et électriques.

– Mécanismes d’activation et de désactivation des connexions physiques.

– Protocoles d’échange de bits.

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 24

g

– Informe la couche supérieure en cas de problème de transmission physique

– Supports de transmission (médias)

• fils torsadés, câbles coaxiaux, fibres optiques, ondes radioélectriques

Modèle OSI

2. La couche liaison

• Rôle

– Assure la transmission sans erreur d’un bloc de données (trame) – Assure la transmission sans erreur d un bloc de données (trame) – Permet le transfert fiable d’informations entre systèmes

connectés.

– Divise les données sous forme de trames transmissibles.

– Détecte les erreurs de transmission et provoque éventuellement la correction ou la retransmission.

– Régule l’accès au média le flux d’informations sur la liaison.

• Contenu : elle comporte 2 sous couches

• Contenu : elle comporte 2 sous couches

– MAC : Medium Access Control

• Règles d’accès au support de transmission.

– LLC : Link Layer Control

• Gère le flux des informations

7. La couche application

• Rôle

Fo rnit les fonctions applicati es de ha t ni ea – Fournit les fonctions applicatives de haut niveau.

– Donne du sens à l’information transmise.

• Définit les mécanismes communs aux applications réparties et la signification des informations échangées

Bus de terrain - Introduction aux bus de terrain 26

Vos questions

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